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JP7699252B2 - Vortex fluid mixer - Google Patents
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Description

本発明は、化学工場、半導体製造分野、食品分野、医療分野、バイオ分野などの各種産業における流体輸送配管に使用され、渦流を用いて2種以上の流体を混合する渦流式流体混合器に関する。 The present invention relates to a vortex type fluid mixer that is used for fluid transport piping in various industries such as chemical plants, semiconductor manufacturing, food, medical, and bio industries, and mixes two or more types of fluids using vortex flows.

化学工場、半導体製造分野、食品分野、医療分野、バイオ分野などの各種産業分野において、管内を流れる流体を混合する方法としては、例えば特許文献1に開示されているような捩じり羽根状のスタティックミキサーエレメントを管内に装着したスタティックミキサーを用いるのが一般的である。通常、スタティックミキサーエレメントは、長方形板を長手軸線周りに180度捩じったものを最小単位部材として、複数の最小単位部材を直列に結合した構造を有している。典型的なスタティックミキサーでは、長方形板を180度だけ右回転方向へ捩じった形状である右エレメントの端部(捩じり軸方向の端部)と長方形板を180度だけ左回転方向へ捩じった形状である左エレメントの端部(捩じり軸方向の端部)とが流体の流れ方向の複数の箇所において互いに直交するように接合された状態で管内に設置されている。このような構成によって、管内を流通する流体が一つのエレメントを通過するごとに二分割されると共に、流体がエレメントの捩じれ面に沿って流れることで、管中央部から管壁部への転換の作用、流れの捩じり方向の反転の作用を与えられて攪拌され、流体が配管の径方向に均一に混合される。 In various industrial fields such as chemical plants, semiconductor manufacturing, food, medical, and biotechnology, a static mixer with a twisted blade-shaped static mixer element installed in a pipe, as disclosed in Patent Document 1, is generally used as a method for mixing fluids flowing in a pipe. Typically, a static mixer element has a structure in which a rectangular plate twisted 180 degrees around its longitudinal axis is used as the smallest unit member, and multiple smallest unit members are connected in series. In a typical static mixer, the end of the right element (the end in the torsional axis direction), which is a rectangular plate twisted 180 degrees clockwise, and the end of the left element (the end in the torsional axis direction), which is a rectangular plate twisted 180 degrees counterclockwise, are installed in a pipe in a state where they are joined at right angles to each other at multiple points in the direction of fluid flow. With this configuration, the fluid flowing through the pipe is divided into two each time it passes through an element, and as the fluid flows along the twisted surface of the element, it is stirred by the action of shifting from the center of the pipe to the pipe wall and reversing the twisting direction of the flow, and the fluid is mixed uniformly in the radial direction of the pipe.

特開2001-205062号公報JP 2001-205062 A

特許文献1に記載されているようなスタティックミキサーでは、管内にスタティックミキサーエレメントが着脱可能に挿入されて、配置されているだけであり、管壁とエレメントの外周部との隙間が存在する。このような隙間には、流体が滞留しやすくなる。また、攪拌のためにスタティックミキサーエレメントの形状を複雑にすると、滞留部を生じやすくなる。このような流体の滞留は、流体の劣化の原因や、スラリーの固化の原因となる。特に、半導体の製造に用いられる場合など、薬液の混合にスタティックミキサーが使用される場合、薬液の滞留は、薬液の劣化を招き、劣化した薬液の半導体ウエハへの塗布は不良品の原因となる。また、スラリーの混合のためにスタティックミキサーを使用する場合、スラリーの固化はメンテナンスの頻度の増加を招く。 In a static mixer such as that described in Patent Document 1, the static mixer element is simply inserted and positioned in a pipe so that it can be detached, and there is a gap between the pipe wall and the outer periphery of the element. Fluids tend to stagnate in such gaps. Furthermore, if the shape of the static mixer element is made complex for mixing purposes, stagnation is more likely to occur. Such stagnation of fluid can cause deterioration of the fluid and solidification of the slurry. In particular, when a static mixer is used to mix chemicals, such as in the manufacture of semiconductors, stagnation of the chemicals can cause deterioration of the chemicals, and the application of deteriorated chemicals to semiconductor wafers can cause defective products. Furthermore, when a static mixer is used to mix slurry, solidification of the slurry can lead to increased maintenance frequency.

よって、本発明の目的は、従来技術に存する問題を解決して、異なる種類の流体を混合させるインライン式の流体混合器において、流体が内部に滞留する部位を生じさせないようにすることにある。 The object of the present invention is therefore to solve the problems present in the prior art and to prevent the creation of areas where fluids stagnate inside an in-line fluid mixer that mixes different types of fluids.

本発明は、上記目的に鑑み、概略円筒形状の周側壁と該周側壁の両端に設けられ互いと対向する第1の端壁及び第2の端壁とによって規定される渦室と、入口流路中心軸線に沿って延び且つ前記周側壁に開口する入口流路と、出口流路中心軸線に沿って延び且つ前記第1の端壁に開口する出口流路と、前記出口流路の中間部に接続され、前記出口流路を流れる流体に添加流体を添加させる少なくとも一つの添加流路とを備え、前記第2の端壁がダイヤフラムによって構成されており、前記出口流路は、前記出口流路中心軸線が前記第1の端壁の概略中心を通るように設けられ、前記渦室は、前記入口流路を介して流入した流体が前記渦室内で渦状の旋回流を生じ、旋回流を生じながら前記出口流路から流出するように構成されており、前記添加流路から添加された添加流体が旋回流の作用で前記出口流路内の流体と攪拌されて混合されるようにした渦流式流体混合器を提供する。 In view of the above object, the present invention provides a vortex type fluid mixer comprising: a vortex chamber defined by a substantially cylindrical circumferential side wall and first and second end walls provided at both ends of the circumferential side wall and facing each other; an inlet flow passage extending along a central axis of an inlet flow passage and opening onto the circumferential side wall; an outlet flow passage extending along a central axis of an outlet flow passage and opening onto the first end wall; and at least one addition flow passage connected to an intermediate portion of the outlet flow passage for adding an additive fluid to a fluid flowing through the outlet flow passage , wherein the second end wall is formed by a diaphragm , the outlet flow passage is provided such that the central axis of the outlet flow passage passes approximately through a center of the first end wall, the vortex chamber is configured such that a fluid flowing in via the inlet flow passage generates a vortex-like swirling flow within the vortex chamber and flows out of the outlet flow passage while generating a swirling flow, and the additive fluid added from the addition flow passage is stirred and mixed with a fluid in the outlet flow passage by the action of the swirling flow.

上記渦流式流体混合器では、円筒形状の周側壁とその両端に設けられた互いに対向する第1の端壁及び第2の端壁とによって渦室が規定され、入口流路が渦室の周側壁に開口すると共に、出口流路が第1の端壁に開口している。また、出口流路中心軸線が第1の端壁の概略中心を通るように出口流路が設けられており、流体が入口流路から渦室内に流入すると渦室内で渦状の旋回流を生じるようになっている。さらに、渦室が円筒形状の周側壁を有し、出口流路中心軸線が第1の端壁の概略中心を通るように設けられているので、渦室内の流体が旋回流を生じながら出口流路から流出する。したがって、出口流路内にも旋回流が生じる。この出口流路の旋回流に添加流体が添加流路から添加されるので、添加流体が旋回流の作用で出口流路の流体と攪拌され、混合される。 In the above vortex type fluid mixer, a vortex chamber is defined by a cylindrical peripheral side wall and a first end wall and a second end wall that are provided at both ends of the vortex chamber, and the inlet flow path opens into the peripheral side wall of the vortex chamber, while the outlet flow path opens into the first end wall. The outlet flow path is provided so that the central axis of the outlet flow path passes through the approximate center of the first end wall, and when the fluid flows into the vortex chamber from the inlet flow path, a vortex-like swirling flow is generated in the vortex chamber. Furthermore, since the vortex chamber has a cylindrical peripheral side wall and the central axis of the outlet flow path passes through the approximate center of the first end wall, the fluid in the vortex chamber flows out of the outlet flow path while generating a swirling flow. Therefore, a swirling flow is also generated in the outlet flow path. The additive fluid is added from the additive flow path to the swirling flow in the outlet flow path, and the additive fluid is stirred and mixed with the fluid in the outlet flow path by the action of the swirling flow.

上記渦流式流体混合器では、前記添加流路は、前記出口流路内に旋回流が生じている領域において前記出口流路に接続されることが好ましい。 In the above vortex type fluid mixer, it is preferable that the addition passage is connected to the outlet passage in a region where a swirling flow is generated in the outlet passage.

前記入口流路は、前記入口流路中心軸線が前記第1の端壁の中心と前記第2の端壁の中心とを結ぶ渦室中心軸線から離れた位置を通るように設けられていることが好ましく、流体が前記入口流路から前記周側壁に対して接線方向に流入するように設けられていることがさらに好ましい。 The inlet flow passage is preferably arranged so that the inlet flow passage central axis passes through a position away from the vortex chamber central axis connecting the center of the first end wall and the center of the second end wall, and more preferably arranged so that the fluid flows from the inlet flow passage in a tangential direction to the peripheral side wall.

また、前記出口流路の長さは前記出口流路の直径の7.5倍以上であることが好ましい。 It is also preferable that the length of the outlet passage be 7.5 times or more the diameter of the outlet passage.

加えて、前記添加流路は、前記添加流路の中心軸線が前記出口流路の上流端から前記出口流路中心軸線の方向に前記出口流路の直径の8倍以内の距離に配置されるように設けられることが好ましく、前記添加流路の中心軸線が前記出口流路の上流端から前記出口流路中心軸線の方向に前記出口流路の直径の4倍以内の距離に配置されるように設けられることがさらに好ましい。 In addition, it is preferable that the additive flow passage is arranged so that the central axis of the additive flow passage is located at a distance of 8 times or less than the diameter of the outlet flow passage from the upstream end of the outlet flow passage in the direction of the central axis of the outlet flow passage, and it is even more preferable that the central axis of the additive flow passage is located at a distance of 4 times or less than the diameter of the outlet flow passage from the upstream end of the outlet flow passage in the direction of the central axis of the outlet flow passage.

一つの実施形態では、前記ダイヤフラムが、前記第1の端壁に対して接近離反するように駆動部によって移動されるようにすることができる。 In one embodiment , the diaphragm may be moved toward and away from the first end wall by a driver.

また、本発明は、概略円筒形状の周側壁と該周側壁の両端に設けられ互いと対向する第1の端壁及び第2の端壁とによって規定される渦室と、入口流路中心軸線に沿って延び且つ前記周側壁に開口する入口流路と、出口流路中心軸線に沿って延び且つ前記第1の端壁に開口する出口流路と、前記出口流路の中間部に接続され、前記出口流路を流れる流体に添加流体を添加させる少なくとも一つの添加流路と、前記添加流路から前記出口流路に添加される添加流体の流量を調整するための流量調整弁とを備え、前記出口流路は、前記出口流路中心軸線が前記第1の端壁の概略中心を通るように設けられ、前記渦室は、前記入口流路を介して流入した流体が前記渦室内で渦状の旋回流を生じ、旋回流を生じながら前記出口流路から流出するように構成されており、前記添加流路から添加された添加流体が旋回流の作用で前記出口流路内の流体と攪拌されて混合されるようにした渦流式流体混合器を提供する。 The present invention also provides a vortex type fluid mixer comprising: a vortex chamber defined by a generally cylindrical circumferential side wall and first and second end walls provided at both ends of the circumferential side wall and facing each other; an inlet flow passage extending along a central axis of an inlet flow passage and opening onto the circumferential side wall; an outlet flow passage extending along a central axis of an outlet flow passage and opening onto the first end wall; at least one addition flow passage connected to an intermediate portion of the outlet flow passage for adding an additive fluid to a fluid flowing through the outlet flow passage; and a flow rate adjustment valve for adjusting a flow rate of the additive fluid added from the addition flow passage to the outlet flow passage, wherein the outlet flow passage is provided such that the outlet flow passage central axis passes through an approximate center of the first end wall, and the vortex chamber is configured such that a fluid flowing in via the inlet flow passage generates a vortex-like swirling flow within the vortex chamber and flows out of the outlet flow passage while generating a swirling flow, and the additive fluid added from the addition flow passage is agitated and mixed with a fluid in the outlet flow passage by the action of the swirling flow.

本発明によれば、入口流路から渦室内に流入した流体が渦室内で旋回流を生じ、渦室内の流体が旋回流を生じながら出口流路から流出する。この結果、出口流路内にも旋回流が生じ、この出口流路の旋回流に添加流体が添加流路から添加されると、添加流体が旋回流の作用で出口流路の流体と攪拌され、混合される。したがって、流路内にスタティックミキサーエレメントを設けることなく混合が可能となると共に、渦室内でも円筒形状の周側壁に沿って流体が流れるので、滞留部を生じさせることを抑制することができる。 According to the present invention, the fluid that flows into the vortex chamber from the inlet passage generates a swirling flow in the vortex chamber, and the fluid in the vortex chamber flows out of the outlet passage while generating a swirling flow. As a result, a swirling flow is also generated in the outlet passage, and when an additive fluid is added from the additive passage to the swirling flow in the outlet passage, the additive fluid is stirred and mixed with the fluid in the outlet passage by the action of the swirling flow. Therefore, mixing is possible without providing a static mixer element in the passage, and since the fluid flows along the cylindrical peripheral side wall even in the vortex chamber, the generation of stagnation areas can be suppressed.

内部が見えるように一部を破断して、本発明の第1の実施形態による渦流式流体混合器の全体構成を示す部分破断斜視図である。1 is a partially cutaway perspective view showing the overall configuration of a vortex fluid mixer according to a first embodiment of the present invention, with a portion cut away so that the inside can be seen. FIG. 図1に示されている渦流式流体混合器の入口流路から供給されて渦室を経て出口流路から排出される主流体に添加流体が添加されて混合されるときの主流体及び添加流体の流れを表す流線を模式的に示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic diagram of flow lines representing the flow of a main fluid and an added fluid when the added fluid is added to and mixed with a main fluid supplied from an inlet passage of the vortex type fluid mixer shown in FIG. 1, passes through a vortex chamber, and is discharged from an outlet passage. 本発明の第2の実施形態による渦流式流体混合器を側方から見た模式図である。FIG. 11 is a schematic side view of a vortex fluid mixer according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施形態による渦流式流体混合器を側方から見た模式図である。FIG. 11 is a schematic side view of a vortex fluid mixer according to a third embodiment of the present invention. 数値シミュレーションにおいて使用した渦流式流体混合器の構成及び寸法を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing the configuration and dimensions of a vortex fluid mixer used in a numerical simulation. 数値シミュレーションにおいて使用した渦流式流体混合器の構成及び寸法を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing the configuration and dimensions of a vortex fluid mixer used in a numerical simulation. 渦流式流体混合器を用いた数値シミュレーションにおいて、出口流路の下流端(渦室と接続される端部と反対側の端部)における各領域で得られる混合流体のパッシブスカラーの最大値及び最小値の時間変化を示すグラフである。1 is a graph showing the time change of the maximum and minimum values of the passive scalar of the mixed fluid obtained in each region at the downstream end (the end opposite the end connected to the vortex chamber) of the outlet flow passage in a numerical simulation using a vortex type fluid mixer. 渦流式流体混合器を用いた数値シミュレーションによって得られた、出口流路の直径(出口流路径)に対する出口流路の長さ(出口流路長さ)の比と出口流路の下流端の各領域で得られる混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差との相関を示すグラフである。1 is a graph showing a correlation between the ratio of the length of the outlet passage (outlet passage length) to the diameter of the outlet passage (outlet passage diameter) and the difference between the maximum and minimum values of the passive scalar of the mixed fluid obtained in each region at the downstream end of the outlet passage, obtained by a numerical simulation using a vortex type fluid mixer. 主流体と添加流体の流量の第1の組み合わせの下で、渦流式流体混合器を用いた数値シミュレーションによって得られた、出口流路と添加流路との合流位置と出口流路の下流端の各領域で得られる混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差との相関を示すグラフである。11 is a graph showing a correlation between the difference between the maximum and minimum values of the passive scalar of the mixed fluid obtained in each region of the confluence position of the outlet flow channel and the additive flow channel and the downstream end of the outlet flow channel, obtained by a numerical simulation using a vortex fluid mixer under a first combination of flow rates of the main fluid and the additive fluid. 主流体と添加流体の流量の第2の組み合わせの下で、渦流式流体混合器を用いた数値シミュレーションによって得られた、出口流路と添加流路との合流位置と出口流路の下流端の各領域で得られる混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差との相関を示すグラフである。11 is a graph showing a correlation between the difference between the maximum and minimum values of the passive scalar of the mixed fluid obtained in each region of the confluence position of the outlet flow channel and the additive flow channel and the downstream end of the outlet flow channel, obtained by a numerical simulation using a vortex fluid mixer under a second combination of flow rates of the main fluid and the additive fluid. 本発明の他の実施形態による渦流式流体混合器の全体構成を示す斜視図である。FIG. 11 is a perspective view showing the overall configuration of a vortex fluid mixer according to another embodiment of the present invention.

以下、図面を参照して、本発明による渦流式流体混合器の実施の形態を説明する。最初に、図1を参照して、第1の実施形態の渦流式流体混合器11の全体構成を説明する。 Below, an embodiment of a vortex fluid mixer according to the present invention will be described with reference to the drawings. First, the overall configuration of the vortex fluid mixer 11 of the first embodiment will be described with reference to Figure 1.

渦流式流体混合器11は、中心軸線に沿って延びる概略円筒形状の周側壁13と、周側壁13の中心軸線方向の両端に互いに対向するように設けられた第1の端壁15及び第2の端壁17と、入口流路19と、出口流路21と、出口流路21の中間部に接続される添加流路23とを備える。第1の端壁15と第2の端壁17とは同じ概略円形状を有し、周側壁13の中心軸線方向の両端部を閉塞するように設けられており、周側壁13と第1の端壁15と第2の端壁17とによって取り囲まれた空間が渦室25を構成している。第1の端壁15の中心と第2の端壁17の中心とを結ぶように延びる渦室中心軸線Oは、周側壁13の中心軸線と一致しており、第1の端壁15及び第2の端壁17と垂直に延びている。 The vortex type fluid mixer 11 includes a generally cylindrical peripheral wall 13 extending along the central axis, a first end wall 15 and a second end wall 17 provided at both ends of the peripheral wall 13 in the central axis direction so as to face each other, an inlet passage 19, an outlet passage 21, and an additive passage 23 connected to the middle part of the outlet passage 21. The first end wall 15 and the second end wall 17 have the same generally circular shape and are provided so as to close both ends of the peripheral wall 13 in the central axis direction, and the space surrounded by the peripheral wall 13, the first end wall 15, and the second end wall 17 constitutes a vortex chamber 25. The vortex chamber central axis O extending to connect the center of the first end wall 15 and the center of the second end wall 17 coincides with the central axis of the peripheral wall 13 and extends perpendicular to the first end wall 15 and the second end wall 17.

入口流路19は、渦室中心軸線Oと垂直な方向の入口流路中心軸線P1に沿って延び、周側壁13に開口している。入口流路中心軸線P1は入口流路19の断面の中心を通るように延びている。また、出口流路21は、渦室25から外部へ渦室中心軸線Oと平行で且つ第1の端壁15に垂直な出口流路中心軸線P2に沿って延びており、渦室25の第1の端壁15に開口している。出口流路中心軸線P2は出口流路21の断面の中心を通るように延びている。図示されている実施形態では、入口流路19及び出口流路21は共に円形断面形状を有する円管によって構成されている。しかしながら、入口流路19及び出口流路21の断面は、円形状に限定されるものではなく、楕円形状や四角形状のような多角形状とすることも可能である。また、図示されている実施形態では、入口流路19は、ストレート形状の円管によって構成されているが、渦室25内に流体を流入させることができれば、ノズル形状など他の形状としてもよい。 The inlet flow passage 19 extends along the inlet flow passage central axis P1 perpendicular to the vortex chamber central axis O, and opens to the peripheral side wall 13. The inlet flow passage central axis P1 extends so as to pass through the center of the cross section of the inlet flow passage 19. The outlet flow passage 21 extends from the vortex chamber 25 to the outside along the outlet flow passage central axis P2 parallel to the vortex chamber central axis O and perpendicular to the first end wall 15, and opens to the first end wall 15 of the vortex chamber 25. The outlet flow passage central axis P2 extends so as to pass through the center of the cross section of the outlet flow passage 21. In the illustrated embodiment, the inlet flow passage 19 and the outlet flow passage 21 are both formed of circular pipes having a circular cross section. However, the cross sections of the inlet flow passage 19 and the outlet flow passage 21 are not limited to a circular shape, and may be polygonal, such as an elliptical shape or a square shape. In the illustrated embodiment, the inlet flow passage 19 is formed of a straight circular pipe, but may be formed in other shapes, such as a nozzle shape, as long as it is possible to flow a fluid into the vortex chamber 25.

入口流路19は、入口流路中心軸線P1が渦室中心軸線Oから離れた偏心位置を通るように設けられている。したがって、入口流路19から流入した流体は、渦室25内で周側壁13に当たって周側壁13に沿って流れて旋回流を生じ、渦流となって出口流路21へと向かい出口流路21から流出する。入口流路19は、旋回流を生じやすくするために、入口流路19から渦室25内に流入する流体が周側壁13に沿って流れるように設けられることが好ましい。図示されている実施形態では、入口流路19は、概略円筒形状の周側壁13の接線方向に延びて入口流路中心軸線P1が接線と平行となるように周側壁13に接続されており、流体が入口流路19から渦室25内に周側壁13に対して実質的に接線方向に流入するようになっている。 The inlet flow passage 19 is provided so that the inlet flow passage central axis P1 passes through an eccentric position away from the vortex chamber central axis O. Therefore, the fluid flowing in from the inlet flow passage 19 hits the circumferential side wall 13 in the vortex chamber 25 and flows along the circumferential side wall 13 to generate a swirling flow, which flows toward the outlet flow passage 21 and flows out from the outlet flow passage 21. In order to easily generate a swirling flow, the inlet flow passage 19 is preferably provided so that the fluid flowing into the vortex chamber 25 from the inlet flow passage 19 flows along the circumferential side wall 13. In the illustrated embodiment, the inlet flow passage 19 extends in a tangential direction of the generally cylindrical circumferential side wall 13 and is connected to the circumferential side wall 13 so that the inlet flow passage central axis P1 is parallel to the tangent, so that the fluid flows from the inlet flow passage 19 into the vortex chamber 25 in a substantially tangential direction to the circumferential side wall 13.

出口流路21は、出口流路中心軸線P2が第1の端壁15と垂直に延び且つ第1の端壁15の概略中心を通るように、すなわち出口流路中心軸線P2が実質的に渦室中心軸線Oと一直線上に整列して延びるように、設けられている。このような構成により、図2に示されているように、入口流路19から流入した流体が渦室25内で周側壁13に沿って流れて渦状の旋回流を生じながら出口流路21へ向かって、旋回流のまま渦室25から出口流路21へ排出される。したがって、出口流路21において渦室25から出口流路21への入口(渦室25と出口流路21との接続端すなわち出口流路21の上流端)の少なくとも近傍では、旋回流を維持して渦流状態のまま下流側に流れる。 The outlet flow passage 21 is provided so that the outlet flow passage central axis P2 extends perpendicular to the first end wall 15 and passes through the approximate center of the first end wall 15, i.e., so that the outlet flow passage central axis P2 extends substantially in alignment with the vortex chamber central axis O. With this configuration, as shown in FIG. 2, the fluid flowing in from the inlet flow passage 19 flows along the peripheral side wall 13 in the vortex chamber 25, generating a vortex-like swirling flow toward the outlet flow passage 21, and is discharged from the vortex chamber 25 to the outlet flow passage 21 as a swirling flow. Therefore, at least near the inlet from the vortex chamber 25 to the outlet flow passage 21 (the connection end between the vortex chamber 25 and the outlet flow passage 21, i.e. the upstream end of the outlet flow passage 21), the swirling flow is maintained and flows downstream in a vortex state.

添加流路23は、添加流路中心軸線P3に沿って延び、出口流路21において上述の旋回流が生じている範囲において、渦室25から出口流路21への入口(すなわち出口流路21の上流端)の近傍に接続されて、合流部を形成している。すなわち、合流部は、渦室25から出口流路21に排出される主流体が旋回流を維持している間に添加流路23から添加流体を主流体に添加させるように構成されている。出口流路21と添加流路23との合流部(合流位置)は、添加流路23の添加流路中心軸線P3が出口流路21の入口(すなわち出口流路21の上流端)から出口流路21の直径の8倍以内の距離の範囲内に位置するように設けられていることが好ましく、添加流路中心軸線P3が出口流路21の直径の4倍以内の距離の範囲内に位置するように設けられていることがさらに好ましい。 The additive flow passage 23 extends along the additive flow passage central axis P3, and is connected to the vicinity of the inlet from the vortex chamber 25 to the outlet flow passage 21 (i.e., the upstream end of the outlet flow passage 21) in the range where the above-mentioned swirling flow is generated in the outlet flow passage 21 to form a confluence. That is, the confluence is configured to add the additive fluid from the additive flow passage 23 to the main flow while the main flow discharged from the vortex chamber 25 to the outlet flow passage 21 maintains a swirling flow. The confluence (confluence position) of the outlet flow passage 21 and the additive flow passage 23 is preferably provided so that the additive flow passage central axis P3 of the additive flow passage 23 is located within a distance of 8 times the diameter of the outlet flow passage 21 from the inlet of the outlet flow passage 21 (i.e., the upstream end of the outlet flow passage 21), and more preferably so that the additive flow passage central axis P3 is located within a distance of 4 times the diameter of the outlet flow passage 21.

図示されている第1の実施形態では、出口流路21と添加流路23とが垂直に延びるように、直線状の出口流路21の上流端の近傍に一本の直線状の添加流路23の一方の端部が接続されて、T字形状の流路が形成されており、入口流路19に供給された主流体である流体Aが渦室25を経て出口流路21の上流端に流入し且つ添加流路23の他方の端部から添加流体である流体Bが供給されて、合流部で流体Aと流体Bとが合流されるようになっている。合流部の形状はT字形状に限定されるものではなく、例えば添加流路23が出口流路21に斜めに合流するY字形状等としてもよい。また、図示されている第1の実施形態では、添加流路23の添加流路中心軸線P3は、設置スペースを小さくする目的で、入口流路19の入口流路中心軸線P1と平行に延び、入口流路19と添加流路23とが渦室25に対して同じ側に配置されているが、添加流路中心軸線P3が入口流路中心軸線P1と平行に延びている必要も、入口流路19と添加流路23とが渦室25に対して同じ側に配置されている必要もなく、添加流路23は任意の方向に延びるようにすることができる。さらに、二つ以上の添加流路23が出口流路21に接続されるようにしてもよく、3種類以上の流体を合流させるようにしてもよい。添加流路23は、出口流路21と同様に、断面が円形状である直線状の円管であることが好ましいが、円管に限定されるものではなく、任意の形状の断面を有する配管とすることができる。 In the illustrated first embodiment, one end of a straight additive flow path 23 is connected near the upstream end of the straight outlet flow path 21 so that the outlet flow path 21 and the additive flow path 23 extend vertically, forming a T-shaped flow path, and the main fluid A supplied to the inlet flow path 19 flows into the upstream end of the outlet flow path 21 through the vortex chamber 25, and the additive fluid B is supplied from the other end of the additive flow path 23, so that the fluids A and B are merged at the junction. The shape of the junction is not limited to a T-shape, and may be, for example, a Y-shape in which the additive flow path 23 merges obliquely with the outlet flow path 21. In the illustrated first embodiment, the additive flow passage 23 has a central axis P3 that extends parallel to the central axis P1 of the inlet flow passage 19 in order to reduce the installation space, and the inlet flow passage 19 and the additive flow passage 23 are arranged on the same side of the vortex chamber 25. However, the additive flow passage central axis P3 does not need to extend parallel to the central axis P1 of the inlet flow passage, and the inlet flow passage 19 and the additive flow passage 23 do not need to be arranged on the same side of the vortex chamber 25, and the additive flow passage 23 can extend in any direction. Furthermore, two or more additive flow passages 23 may be connected to the outlet flow passage 21, and three or more types of fluids may be merged. The additive flow passage 23 is preferably a straight circular pipe with a circular cross section, like the outlet flow passage 21, but is not limited to a circular pipe and can be a pipe with a cross section of any shape.

渦流式流体混合器11では、入口流路中心軸線P1が渦室中心軸線Oから離れた偏心位置を通り、出口流路中心軸線P2が入口流路中心軸線P1から離れた位置を通って延びる。したがって、渦室25内では、入口流路19に供給されて渦室25に流入する主流体が周側壁13に当たって周側壁13に沿って流れて旋回流を生じ、渦流となって出口流路21へと向かい出口流路21に排出される。また、図2に示されているように、渦室25内の主流体が旋回流を生じたまま出口流路21から排出され、出口流路21内で主流体が旋回流を生じている範囲内で添加流路23から添加流体が主流体に添加され合流する。したがって、出口流路21内の旋回流の主流体に添加流路23から添加された添加流体は、旋回流の攪拌作用により、主流体内に拡散され、異なる種類の流体の濃度のバラつき(濃度分布のムラ)を減少させることができる。このことから、出口流路21内において旋回流が維持されている限り、出口流路21は、長いほど、また、主流体の流速が高いほど、濃度のバラつきを減少させる効果を高めることができ、出口流路21は、その長さが出口流路21の直径の7.5倍以上であることが好ましい。 In the vortex type fluid mixer 11, the inlet flow passage central axis P1 passes through an eccentric position away from the vortex chamber central axis O, and the outlet flow passage central axis P2 extends through a position away from the inlet flow passage central axis P1. Therefore, in the vortex chamber 25, the main fluid supplied to the inlet flow passage 19 and flowing into the vortex chamber 25 hits the peripheral side wall 13 and flows along the peripheral side wall 13 to generate a swirling flow, which then becomes a vortex and heads toward the outlet flow passage 21 and is discharged into the outlet flow passage 21. Also, as shown in FIG. 2, the main fluid in the vortex chamber 25 is discharged from the outlet flow passage 21 while still generating a swirling flow, and the additive fluid is added to the main fluid from the additive flow passage 23 within the range in which the main fluid generates a swirling flow in the outlet flow passage 21 and merges with it. Therefore, the additive fluid added from the additive flow passage 23 to the main fluid of the swirling flow in the outlet flow passage 21 is diffused into the main fluid by the stirring action of the swirling flow, and the concentration variation (unevenness in concentration distribution) of different types of fluids can be reduced. For this reason, as long as a swirling flow is maintained within the outlet flow passage 21, the longer the outlet flow passage 21 is and the higher the flow velocity of the mainstream fluid, the greater the effect of reducing concentration variations, and it is preferable that the length of the outlet flow passage 21 is 7.5 times or more the diameter of the outlet flow passage 21.

なお、本発明による渦流式流体混合器は、渦室25内で渦状の旋回流を生じさせて、旋回流を維持したまま出口流路21内に主流体を排出し、出口流路21内で旋回流を生じた主流体に添加流路23から添加流体を添加させるようになっていれば、異なる種類の流体の濃度のバラつき(濃度分布のムラ)を減少させる効果を奏することができる。したがって、渦流式流体混合器は、図1に図示されている実施形態の構成に限定されるものではない。 The vortex fluid mixer according to the present invention can reduce the variation in concentration (unevenness in concentration distribution) of different types of fluids if it generates a swirling flow in the vortex chamber 25, discharges the main fluid into the outlet passage 21 while maintaining the swirling flow, and adds an additive fluid from the additive passage 23 to the main fluid that has generated the swirling flow in the outlet passage 21. Therefore, the vortex fluid mixer is not limited to the configuration of the embodiment shown in FIG. 1.

例えば、図3に示されている第2の実施形態による渦流式流体混合器51のように、第2の端壁をダイヤフラム17’によって構成してもよい。第2の実施形態では、図示されていない駆動部によってダイヤフラム17’を駆動して第1の端壁15に接近及び離反させ、渦室25の容積を増減させて渦室25内における流体(主流体)の流速を調整することができるようになっている。駆動部は、手動式、エア駆動式、電動式など様々な駆動方式を採用することができる。渦室25内における流体(主流体)の流速を調整することによって、渦室25内及び出口流路21における主流体の旋回速度を変化させて、混合される流体の種類に応じて、より濃度ムラの少ない適切な混合を行うことが可能となる。 For example, as in the vortex type fluid mixer 51 according to the second embodiment shown in FIG. 3, the second end wall may be formed by a diaphragm 17'. In the second embodiment, the diaphragm 17' is driven by a drive unit (not shown) to approach and move away from the first end wall 15, thereby increasing and decreasing the volume of the vortex chamber 25 and adjusting the flow rate of the fluid (main fluid) in the vortex chamber 25. The drive unit may adopt various drive methods such as manual, air-driven, and electric. By adjusting the flow rate of the fluid (main fluid) in the vortex chamber 25, the swirl speed of the main body in the vortex chamber 25 and the outlet flow path 21 can be changed, making it possible to perform appropriate mixing with less concentration unevenness according to the type of fluid to be mixed.

図4は、添加流路23上に流量調整バルブ63を設けた第3の実施形態による渦流式流体混合器61を示している。第3の実施形態による渦流式流体混合器61では、流量調整バルブ63によって、添加流路23から出口流路21に添加される添加流体の流量を変化させ、主流体と添加流体との混合比率を調整することができるようになっている。しかしながら、添加流路23から出口流路21に添加される添加流体の流量を調整することができれば、流量調整バルブ63を設ける位置は、添加流路23上に限定されるものではない。例えば、添加流体の供給源と添加流路23との間に流量調整バルブ63を設けてもよい。また、添加流体ではなく主流体の流量を変化させるようにしてもよく、例えば図示されていない流量調整バルブを設けて、入口流路19から渦室25内に供給される主流体の流量を調整できるようにしてもよい。この場合も同様に、入口流路19上に流量調整バルブを設けてもよく、主流体の供給源と入口流路19との間に流量調整バルブを設けてもよい。 Figure 4 shows a vortex type fluid mixer 61 according to the third embodiment, in which a flow rate control valve 63 is provided on the additive flow passage 23. In the vortex type fluid mixer 61 according to the third embodiment, the flow rate control valve 63 is used to change the flow rate of the additive fluid added from the additive flow passage 23 to the outlet flow passage 21, thereby adjusting the mixing ratio of the main fluid and the additive fluid. However, as long as the flow rate of the additive fluid added from the additive flow passage 23 to the outlet flow passage 21 can be adjusted, the position where the flow rate control valve 63 is provided is not limited to on the additive flow passage 23. For example, the flow rate control valve 63 may be provided between the additive fluid supply source and the additive flow passage 23. In addition, the flow rate of the main fluid, rather than the additive fluid, may be changed. For example, a flow rate control valve not shown may be provided to adjust the flow rate of the main fluid supplied from the inlet flow passage 19 into the vortex chamber 25. In this case, a flow rate control valve may be provided on the inlet flow passage 19, or a flow rate control valve may be provided between the supply source of the main fluid and the inlet flow passage 19.

なお、図3及び図4に示されている第2の実施形態による渦流式流体混合器51及び第3の実施形態による渦流式流体混合器61では、図1に示されている第1の実施形態の渦流式流体混合器11と共通する構成要素には、同じ参照符号が付されている。また、同じ参照符号が付された構成要素は、同様の構成を有している。したがって、ここでは、第1の実施形態の渦流式流体混合器11と共通する構成要素についての説明は省略する。 In the vortex fluid mixer 51 according to the second embodiment and the vortex fluid mixer 61 according to the third embodiment shown in Figures 3 and 4, the same reference numerals are used for components common to the vortex fluid mixer 11 of the first embodiment shown in Figure 1. Furthermore, components with the same reference numerals have similar configurations. Therefore, a description of the components common to the vortex fluid mixer 11 of the first embodiment will be omitted here.

以下に、図1に示されている第1の実施形態の渦流式流体混合器11と同様の構成の渦流式流体混合器を用いた数値シミュレーションによる解析結果を説明する。以下の説明では、説明を分かりやすくするために、数値シミュレーションで使用される渦流式流体混合器の各構成について、渦流式流体混合器11と同じ参照符号を付する。 The following describes the results of a numerical simulation using a vortex fluid mixer with a configuration similar to that of the vortex fluid mixer 11 of the first embodiment shown in FIG. 1. In the following description, to make the description easier to understand, the components of the vortex fluid mixer used in the numerical simulation are given the same reference numerals as those of the vortex fluid mixer 11.

数値シミュレーションは、特に記載が無い限り、図5及び図6に示されているような構成及び寸法を有した渦流式流体混合器11を用いて行った。詳細には、渦室25が直径20mm、高さ4mmの円筒形状を有しており、入口流路中心軸線P1が渦室25の中心から8mmだけ離れた位置を通るように、直径4mmの円管形状の入口流路19が周側壁13に接続されている。また、直径D、長さL1の円管形状の出口流路21が渦室中心軸線Oと一直線上に整列する出口流路中心軸線P2に沿って延びるように第1の端壁15に接続されている。すなわち、出口流路21は第1の端壁15の中心を通り且つ第1の端壁15と垂直な出口流路中心軸線P2に沿って第1の端壁15から延びている。さらに、直径4mmの円管形状の添加流路23が、出口流路21の中心を通り且つ出口流路中心軸線P2と垂直な添加流路中心軸線P3に沿って出口流路中心軸線P2から15mmだけ離れた位置まで延び、出口流路21と第1の端壁15とが接続される出口流路21の上流端から添加流路23の添加流路中心軸線P3までの距離がL2となるように、出口流路21に接続されている。このような構成の渦流式流体混合器11において、入口流路19に主流体として青水を供給すると共に添加流路23に添加流体として赤水を供給し、入口流路19から供給されて渦室25を経て旋回流の状態で出口流路21から排出される主流体に添加流路から添加流体を添加して両流体を合流させ、主流体と添加流体が合流、混合されて生成された混合流体のパッシブスカラーを出口流路21の下流端において求める。パッシブスカラーは、混合流体の色に関し、赤を1(赤水の濃度が100%)、青を0(赤水の濃度が0%)とみなした濃度の代用指標である。 Numerical simulations were performed using a vortex type fluid mixer 11 having the configuration and dimensions shown in Figures 5 and 6, unless otherwise specified. In detail, the vortex chamber 25 has a cylindrical shape with a diameter of 20 mm and a height of 4 mm, and a circular tubular inlet flow passage 19 with a diameter of 4 mm is connected to the peripheral side wall 13 so that the inlet flow passage central axis P1 passes through a position 8 mm away from the center of the vortex chamber 25. In addition, a circular tubular outlet flow passage 21 with a diameter D and a length L1 is connected to the first end wall 15 so as to extend along the outlet flow passage central axis P2 aligned in a straight line with the vortex chamber central axis O. In other words, the outlet flow passage 21 passes through the center of the first end wall 15 and extends from the first end wall 15 along the outlet flow passage central axis P2 perpendicular to the first end wall 15. Furthermore, an additive flow passage 23 having a circular tube shape and a diameter of 4 mm extends through the center of the outlet flow passage 21 along an additive flow passage central axis P3 perpendicular to the outlet flow passage central axis P2 to a position 15 mm away from the outlet flow passage central axis P2, and is connected to the outlet flow passage 21 such that the distance from the upstream end of the outlet flow passage 21 where the outlet flow passage 21 and the first end wall 15 are connected to the additive flow passage central axis P3 of the additive flow passage 23 is L2. In the vortex type fluid mixer 11 having such a configuration, blue water is supplied to the inlet flow passage 19 as the main fluid, and red water is supplied to the additive flow passage 23 as the additive fluid, the additive fluid is added from the additive flow passage to the main fluid supplied from the inlet flow passage 19 and discharged from the outlet flow passage 21 in a swirling flow state through the vortex chamber 25 to merge the two fluids, and the passive scalar of the mixed fluid generated by the merging and mixing of the main fluid and the additive fluid is obtained at the downstream end of the outlet flow passage 21. A passive scalar is a proxy for the concentration of the color of a mixed fluid, with red being 1 (100% concentration of red water) and blue being 0 (0% concentration of red water).

最初に、出口流路21の下流端(渦室25と接続される端部と反対側の最も下流側に位置する端部)における径方向の位置による混合流体の濃度のバラつき(濃度分布のムラ)を数値シミュレーションにより確認した。数値シミュレーションでは、図5及び図6に示された構成及び寸法を有し、出口流路21の直径DをΦ4mm、出口流路21の長さL1を80mm、出口流路21の上流端から添加流路中心軸線P3までの距離L2を5mmとした渦流式流体混合器11を使用し、入口流路19に主流体として青水を800mL/分で供給すると共に添加流路23に添加流体として赤水を200mL/分で供給して、主流体に添加流体を添加して混合させた混合流体のパッシブスカラーを出口流路21の下流端において求め、パッシブスカラーを指標として青水と赤水の混ざり方を評価した。 First, the variation in the concentration of the mixed fluid (unevenness in the concentration distribution) depending on the radial position at the downstream end of the outlet flow passage 21 (the end located at the most downstream side opposite the end connected to the vortex chamber 25) was confirmed by numerical simulation. In the numerical simulation, a vortex type fluid mixer 11 having the configuration and dimensions shown in Figures 5 and 6, with the diameter D of the outlet flow passage 21 being Φ4 mm, the length L1 of the outlet flow passage 21 being 80 mm, and the distance L2 from the upstream end of the outlet flow passage 21 to the central axis P3 of the additive flow passage being 5 mm was used, and blue water was supplied as the main fluid to the inlet flow passage 19 at 800 mL/min, and red water was supplied as the additive fluid to the additive flow passage 23 at 200 mL/min. The passive scalar of the mixed fluid obtained by adding the additive fluid to the main fluid and mixing it was obtained at the downstream end of the outlet flow passage 21, and the mixing of the blue water and the red water was evaluated using the passive scalar as an index.

図7は出口流路21の下流端における混合流体のパッシブスカラーの経時変化を示すグラフである。図7では、出口流路21の下流端における断面を複数の領域に分割して各領域における混合流体のパッシブスカラーを求め、求められた各領域のパッシブスカラーの最大値の経時変化を実線で、最小値の経時変化を破線で示している。図7に示されているように、出口流路21の下流端では、混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値がほぼ同じで、出口流路21の下流端における混合流体のパッシブスカラーの領域間の差がほとんどなく、時間変化もほとんどない状態となっている。すなわち、図7から、出口流路21の下流端では、径方向及び流れ方向における混合流体の濃度分布のムラがほとんどなく、十分に混合されていることが分かる。したがって、渦流式流体混合器11を用いることによって、異なる種類の流体の径方向の位置及び流れ方向による濃度のバラつき(濃度分布のムラ)が減少されており、濃度の均一化の効果が得られていることが確認された。 Figure 7 is a graph showing the change over time in the passive scalar of the mixed fluid at the downstream end of the outlet flow path 21. In Figure 7, the cross section at the downstream end of the outlet flow path 21 is divided into multiple regions to obtain the passive scalar of the mixed fluid in each region, and the change over time in the maximum value of the passive scalar of each region is shown by a solid line, and the change over time in the minimum value is shown by a dashed line. As shown in Figure 7, at the downstream end of the outlet flow path 21, the maximum and minimum values of the passive scalar of the mixed fluid are almost the same, and there is almost no difference between the regions of the passive scalar of the mixed fluid at the downstream end of the outlet flow path 21, and there is almost no change over time. That is, from Figure 7, it can be seen that at the downstream end of the outlet flow path 21, there is almost no unevenness in the concentration distribution of the mixed fluid in the radial direction and flow direction, and the mixed fluid is sufficiently mixed. Therefore, it was confirmed that by using the vortex type fluid mixer 11, the variation in concentration (unevenness in concentration distribution) due to the radial position and flow direction of different types of fluids is reduced, and the effect of uniforming the concentration is obtained.

次に、出口流路21の長さL1が混合流体の濃度のバラつき(濃度分布のムラ)に与える影響を数値シミュレーションにより確認した。数値シミュレーションでは、図5及び図6に示される構成及び寸法を有するが、出口流路21の上流端から添加流路中心軸線P3までの距離L2を5mmとし、出口流路21の直径DをΦ4mmに固定して直径Dに対する出口流路21の長さL1の比を5~25の範囲で変えた渦流式流体混合器11を使用し、出口流路21の下流端において混合流体のパッシブスカラーを求めた。また、直径Dに対する長さL1の比を変えた出口流路21を有した各渦流式流体混合器11について、比較を可能にするために同一の混合比を維持しつつ、異なる主流体と添加流体の流量の組み合わせの下で、上記の数値シミュレーションを行い、出口流路21の下流端において混合流体のパッシブスカラーを求めた。 Next, the effect of the length L1 of the outlet flow passage 21 on the variation in the concentration of the mixed fluid (unevenness in the concentration distribution) was confirmed by a numerical simulation. In the numerical simulation, a vortex-type fluid mixer 11 having the configuration and dimensions shown in Figures 5 and 6 was used, but the distance L2 from the upstream end of the outlet flow passage 21 to the central axis P3 of the additive flow passage was set to 5 mm, the diameter D of the outlet flow passage 21 was fixed at Φ4 mm, and the ratio of the length L1 of the outlet flow passage 21 to the diameter D was changed in the range of 5 to 25, and the passive scalar of the mixed fluid was obtained at the downstream end of the outlet flow passage 21. In addition, for each vortex-type fluid mixer 11 having an outlet flow passage 21 with a different ratio of the length L1 to the diameter D, the above numerical simulation was performed under different combinations of the flow rates of the main fluid and the additive fluid while maintaining the same mixing ratio to enable comparison, and the passive scalar of the mixed fluid was obtained at the downstream end of the outlet flow passage 21.

図8は、同一の混合比を維持しつつ変えた主流体と添加流体の流量の各組み合わせについて、出口流路21の直径Dに対する出口流路21の長さL1の比と出口流路21の下流端における混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差との相関を示す折れ線グラフである。図8では、出口流路21の直径Dに対する出口流路21の長さL1の比を横軸とし、出口流路21の下流端における断面を分割した複数の領域の各々で求めた混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差を縦軸として、数値シミュレーションの結果が示されている。図8において、記号「◆」は入口流路19に供給される主流体の流量が0.2L/分で且つ添加流路23に供給される添加流体の流量が0.05L/分である場合、記号「▲」は入口流路19に供給される主流体の流量が0.4L/分で且つ添加流路23に供給される添加流体の流量が0.1L/分である場合、記号「■」は入口流路19に供給される主流体の流量が0.8L/分で且つ添加流路23に供給される添加流体の流量が0.2L/分である場合、記号「●」は入口流路19に供給される主流体の流量が1.6L/分で且つ添加流路23に供給される添加流体の流量が0.4L/分である場合における出口流路21の直径Dに対する出口流路21の長さL1の比と出口流路21の下流端における混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差との関係を示す。 Figure 8 is a line graph showing the correlation between the ratio of the length L1 of the outlet flow channel 21 to the diameter D of the outlet flow channel 21 and the difference between the maximum and minimum values of the passive scalar of the mixed fluid at the downstream end of the outlet flow channel 21 for each combination of flow rates of the main fluid and the additive fluid while maintaining the same mixture ratio. In Figure 8, the results of a numerical simulation are shown with the ratio of the length L1 of the outlet flow channel 21 to the diameter D of the outlet flow channel 21 on the horizontal axis and the difference between the maximum and minimum values of the passive scalar of the mixed fluid obtained in each of multiple regions divided by the cross section at the downstream end of the outlet flow channel 21 on the vertical axis. In FIG. 8, the symbol "◆" indicates the relationship between the ratio of the length L1 of the outlet flow passage 21 to the diameter D of the outlet flow passage 21 and the difference between the maximum and minimum values of the passive scalar of the mixed fluid at the downstream end of the outlet flow passage 21 when the flow rate of the mainstream fluid supplied to the inlet flow passage 19 is 0.2 L/min and the flow rate of the additive fluid supplied to the additive flow passage 23 is 0.05 L/min, the symbol "▲" indicates the relationship between the flow rate of the mainstream fluid supplied to the inlet flow passage 19 is 0.4 L/min and the flow rate of the additive fluid supplied to the additive flow passage 23 is 0.1 L/min, the symbol "■" indicates the relationship between the flow rate of the mainstream fluid supplied to the inlet flow passage 19 is 0.8 L/min and the flow rate of the additive fluid supplied to the additive flow passage 23 is 0.2 L/min, and the symbol "●" indicates the relationship between the flow rate of the mainstream fluid supplied to the inlet flow passage 19 is 1.6 L/min and the flow rate of the additive fluid supplied to the additive flow passage 23 is 0.4 L/min.

図8から、出口流路21の直径Dに対する出口流路21の長さL1の比が大きくなるほど、出口流路21の下流端における混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差が小さくなっていることが分かる。出口流路21の下流端の断面の各領域における混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差が小さいことは、出口流路21の下流端において混合流体が均一に混合されていることを意味する。したがって、出口流路21の直径Dに対する出口流路21の長さL1の比を大きくするほど、混合流体をより均一に混合させる効果が高められる。これは、出口流路21の長さL1が長くなるほど、また、出口流路21を流れる主流体の流速が高いほど、旋回流の作用で添加流体が主流体内に分散されていくからであると考えられる。図7に示される数値シミュレーションの条件及び結果と、図8に示される数値シミュレーションの条件及び結果とを考慮すると、出口流路21の長さL1は、出口流路21の直径Dの7.5倍以上であることが好ましいと言える。 8, it can be seen that the greater the ratio of the length L1 of the outlet flow passage 21 to the diameter D of the outlet flow passage 21, the smaller the difference between the maximum and minimum values of the passive scalar of the mixed fluid at the downstream end of the outlet flow passage 21. The smaller the difference between the maximum and minimum values of the passive scalar of the mixed fluid in each region of the cross section of the downstream end of the outlet flow passage 21, the more uniformly the mixed fluid is mixed at the downstream end of the outlet flow passage 21. Therefore, the greater the ratio of the length L1 of the outlet flow passage 21 to the diameter D of the outlet flow passage 21, the more the effect of mixing the mixed fluid is enhanced. This is thought to be because the longer the length L1 of the outlet flow passage 21 and the higher the flow velocity of the mainstream fluid flowing through the outlet flow passage 21, the more the additive fluid is dispersed in the mainstream fluid due to the action of the swirling flow. Considering the conditions and results of the numerical simulation shown in FIG. 7 and the conditions and results of the numerical simulation shown in FIG. 8, it can be said that the length L1 of the outlet flow passage 21 is preferably 7.5 times or more the diameter D of the outlet flow passage 21.

さらに、出口流路21と添加流路23との合流部(接続箇所)の位置(合流位置)が混合流体の濃度のバラつき(濃度分布のムラ)に与える影響を数値シミュレーションにより確認した。数値シミュレーションでは、図5及び図6に示される構成及び寸法を有するが、出口流路21の直径DをΦ4mm、Φ6mm、Φ8mm及びΦ10mmとした場合について、出口流路21の長さL1を出口流路21の直径Dの25倍すなわち25Dにし且つ出口流路21の上流端から添加流路中心軸線P3までの距離L2を出口流路21の直径Dの1倍、2倍、4倍、8倍及び12倍すなわちD,2D,4D,8D及び12Dに変えた渦流式流体混合器11を使用し、出口流路21の下流端において混合流体のパッシブスカラーを求めた。 Furthermore, the influence of the position (junction position) of the junction (connection point) of the outlet flow path 21 and the additive flow path 23 on the concentration variation (unevenness of concentration distribution) of the mixed fluid was confirmed by a numerical simulation. In the numerical simulation, a vortex type fluid mixer 11 having the configuration and dimensions shown in Figures 5 and 6 was used, but in the case where the diameter D of the outlet flow path 21 was Φ4 mm, Φ6 mm, Φ8 mm, and Φ10 mm, the length L1 of the outlet flow path 21 was 25 times the diameter D of the outlet flow path 21, i.e., 25D, and the distance L2 from the upstream end of the outlet flow path 21 to the central axis P3 of the additive flow path was changed to 1 time, 2 times, 4 times, 8 times, and 12 times the diameter D of the outlet flow path 21, i.e., D, 2D, 4D, 8D, and 12D, and the passive scalar of the mixed fluid was obtained at the downstream end of the outlet flow path 21.

図9及び図10は、それぞれ、数値シミュレーションにおいて入口流路19に供給される主流体の流量が0.2L/分で且つ添加流路23に供給される添加流体の流量が0.05L/分である場合と入口流路19に供給される主流体の流量が1.6L/分で且つ添加流路23に供給される添加流体の流量が0.4L/分である場合に得られた、出口流路21と添加流路の合流位置と出口流路21の下流端における混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差との相関を示す折れ線グラフである。なお、比較を可能にするために、図9及び図10を得るための数値シミュレーションでは、同一の混合比が維持されるように主流体と添加流体の流量の比が同一になるように設定されている。図9及び図10では、「出口流路21の直径D」に対する「出口流路中心軸線P2の方向における出口流路21の上流端から添加流路中心軸線P3までの距離L2」の比によって合流位置を表して横軸とし、出口流路21の下流端における断面を分割した複数の領域の各々で求めた混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差を縦軸として、数値シミュレーションの結果が示されている。図9及び図10において、記号「◆」は出口流路21の直径DがΦ10mmである場合、記号「▲」は出口流路21の直径DがΦ8mmである場合、記号「■」は出口流路21の直径DがΦ6mmである場合、記号「●」は出口流路21の直径DがΦ4mmである場合における合流位置(「出口流路21の直径D」に対する「出口流路中心軸線P2の方向における出口流路21の上流端から添加流路中心軸線P3までの距離L2」の比)と出口流路21の下流端における混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差との相関を示す。 9 and 10 are line graphs showing the correlation between the maximum and minimum passive scalars of the mixed fluid at the confluence of the outlet flow channel 21 and the additive flow channel and at the downstream end of the outlet flow channel 21, obtained in a numerical simulation in which the flow rate of the main fluid supplied to the inlet flow channel 19 is 0.2 L/min and the flow rate of the additive fluid supplied to the additive flow channel 23 is 0.05 L/min, and in a numerical simulation in which the flow rate of the main fluid supplied to the inlet flow channel 19 is 1.6 L/min and the flow rate of the additive fluid supplied to the additive flow channel 23 is 0.4 L/min. In order to make it possible to compare, the flow rate ratio of the main fluid to the additive fluid is set to be the same so that the same mixture ratio is maintained in the numerical simulations to obtain FIGS. 9 and 10. 9 and 10 , the results of the numerical simulation are shown, with the horizontal axis representing the confluence position based on the ratio of “distance L2 from the upstream end of the outlet flow passage 21 in the direction of the outlet flow passage central axis P2 to the additive flow passage central axis P3” to “diameter D of the outlet flow passage 21,” and the vertical axis representing the difference between the maximum and minimum values of the passive scalar of the mixed fluid obtained in each of a plurality of regions obtained by dividing the cross section at the downstream end of the outlet flow passage 21. In Figures 9 and 10, the symbol "◆" indicates the correlation between the merging position (the ratio of the "distance L2 from the upstream end of the outlet flow path 21 in the direction of the outlet flow path central axis P2 to the additive flow path central axis P3" to the "diameter D of the outlet flow path 21") and the difference between the maximum and minimum values of the passive scalar of the mixed fluid at the downstream end of the outlet flow path 21 when the diameter D of the outlet flow path 21 is Φ10 mm, the symbol "▲" indicates the diameter D of the outlet flow path 21 is Φ8 mm, the symbol "■" indicates the diameter D of the outlet flow path 21 is Φ6 mm, and the symbol "● ... distance L2 from the upstream end of the outlet flow path 21 in the direction of the outlet flow path central axis P2 to the additive flow path central axis P3) and the difference between the maximum and minimum values of the passive scalar of the mixed fluid at the downstream end of the outlet flow path 21.

図9及び図10から、主流体と添加流体の流量に関わらず、出口流路21と添加流路23との合流位置が、出口流路21の上流端に近いほど、すなわち渦室25に近いほど、出口流路21の下流端における混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差が小さくなっていることが分かる。上述したように、出口流路21の下流端の断面の各領域における混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差が小さいことは、出口流路21の下流端において混合流体が均一に混合されていることを意味する。したがって、出口流路21と添加流路23との合流位置が、出口流路21の上流端に近いほど、すなわち渦室25に近いほど、混合流体をより均一に混合させる効果が高められる。これは、出口流路21と添加流路23との合流位置が、出口流路21の上流端に近いほど、渦室25内で生じた旋回流の強さが出口流路21においても維持され、旋回流により、より高い攪拌効果が得られるからと考えられる。また、図9及び図10に示される結果から、出口流路21と添加流路23との合流位置(出口流路中心軸線P2の方向における出口流路21の上流端から添加流路中心軸線P3までの距離L2)は、出口流路21の上流端に近いことが好ましく、特に、出口流路21の直径Dの8倍以内の距離の範囲内に設けられていることが好ましく、出口流路21の直径Dの4倍以内の距離の範囲内に設けられていることがさらに好ましいと言える。 9 and 10, regardless of the flow rates of the main fluid and the additive fluid, the closer the confluence position of the outlet flow passage 21 and the additive flow passage 23 is to the upstream end of the outlet flow passage 21, i.e., the closer it is to the vortex chamber 25, the smaller the difference between the maximum and minimum values of the passive scalar of the mixed fluid at the downstream end of the outlet flow passage 21 becomes. As described above, a small difference between the maximum and minimum values of the passive scalar of the mixed fluid in each region of the cross section at the downstream end of the outlet flow passage 21 means that the mixed fluid is mixed uniformly at the downstream end of the outlet flow passage 21. Therefore, the closer the confluence position of the outlet flow passage 21 and the additive flow passage 23 is to the upstream end of the outlet flow passage 21, i.e., the closer it is to the vortex chamber 25, the more uniformly the mixed fluid is mixed. This is because the closer the confluence position of the outlet flow passage 21 and the additive flow passage 23 is to the upstream end of the outlet flow passage 21, the more the strength of the swirling flow generated in the vortex chamber 25 is maintained in the outlet flow passage 21, and the swirling flow provides a higher stirring effect. In addition, from the results shown in Figures 9 and 10, it can be said that the confluence position of the outlet flow path 21 and the additive flow path 23 (the distance L2 from the upstream end of the outlet flow path 21 to the additive flow path central axis P3 in the direction of the outlet flow path central axis P2) is preferably close to the upstream end of the outlet flow path 21, and in particular, it is preferably located within a distance of 8 times the diameter D of the outlet flow path 21, and more preferably within a distance of 4 times the diameter D of the outlet flow path 21.

さらに、図9と図10の対比から、渦室25の容積が一定という条件下では、主流体の流量が多いほど、出口流路21と添加流路23との合流位置が出口流路21の上流端から離れても、出口流路21の下流端における混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差を小さく抑えることができることが分かる。したがって、渦室25の容積が一定という条件下では、主流体の流量が多いほど、混合流体をより均一に混合させる効果が高められる。 Furthermore, comparing Figures 9 and 10, it can be seen that, under the condition that the volume of the vortex chamber 25 is constant, the greater the flow rate of the main flow, the smaller the difference between the maximum and minimum values of the passive scalar of the mixed fluid at the downstream end of the outlet flow passage 21 can be kept, even if the confluence position of the outlet flow passage 21 and the additive flow passage 23 is farther away from the upstream end of the outlet flow passage 21. Therefore, under the condition that the volume of the vortex chamber 25 is constant, the greater the flow rate of the main flow, the greater the effect of mixing the mixed fluid more uniformly.

以上、図示されている実施形態を参照して、本発明による渦流式流体混合器11,51,61を説明したが、本発明は図示されている実施形態に限定されるものではない。例えば、図示されている実施形態では、出口流路21に一つの添加流路23が接続され、2種類の流体が合流するようになっているが、出口流路21に二つ以上の添加流路23が接続され、3種類以上の流体が合流するようにしてもよい。 The vortex type fluid mixers 11, 51, and 61 according to the present invention have been described above with reference to the illustrated embodiment, but the present invention is not limited to the illustrated embodiment. For example, in the illustrated embodiment, one additive flow path 23 is connected to the outlet flow path 21, and two types of fluids are joined together, but two or more additive flow paths 23 may be connected to the outlet flow path 21, and three or more types of fluids may be joined together.

また、図11に示されているように、出口流路21の下流にさらに別の渦流式流体混合器71を設けてもよい。この場合の渦流式流体混合器71は、中心軸線に沿って延びる筒形状の周側壁73と、周側壁73の中心軸線方向の両端に互いに対向するように設けられた第1の端壁75及び第2の端壁77と、第1の端壁75に開口する出口流路79とを備え、周側壁73と第1の端壁75と第2の端壁77とによって取り囲まれた空間が渦室を構成するようになっており、渦流式流体混合器11の出口流路21が渦流式流体混合器71の渦室に開口するように周側壁73に接続される。また、出口流路21の出口流路中心軸線P2が渦流式流体混合器71の渦室の中心軸線から離れた偏心位置を通るように、出口流路21が周側壁73に接続され、出口流路79はその中心軸線が出口流路21の出口流路中心軸線P2から離れた位置を通って延びるように設けられている。渦流式流体混合器11の出口流路21がこのような構成の渦流式流体混合器71に接続されているとき、出口流路21から渦流式流体混合器71の渦室内に流入する流体は渦流式流体混合器71の渦室内で旋回流となって渦流を生じた後に出口流路79から排出される。したがって、出口流路21から渦流式流体混合器71の渦室に流入した流体は、渦室内において渦流の作用で攪拌され、より均一に混合される。 11, a further vortex type fluid mixer 71 may be provided downstream of the outlet flow passage 21. In this case, the vortex type fluid mixer 71 includes a cylindrical peripheral side wall 73 extending along the central axis, a first end wall 75 and a second end wall 77 provided at both ends of the peripheral side wall 73 in the central axis direction so as to face each other, and an outlet flow passage 79 opening into the first end wall 75. The space surrounded by the peripheral side wall 73, the first end wall 75, and the second end wall 77 constitutes a vortex chamber, and the outlet flow passage 21 of the vortex type fluid mixer 11 is connected to the peripheral side wall 73 so as to open into the vortex chamber of the vortex type fluid mixer 71. In addition, the outlet flow passage 21 is connected to the peripheral side wall 73 so that the outlet flow passage central axis P2 of the outlet flow passage 21 passes through an eccentric position away from the central axis of the vortex chamber of the vortex type fluid mixer 71, and the outlet flow passage 79 is provided so that its central axis extends through a position away from the outlet flow passage central axis P2 of the outlet flow passage 21. When the outlet flow passage 21 of the vortex type fluid mixer 11 is connected to the vortex type fluid mixer 71 having such a configuration, the fluid flowing from the outlet flow passage 21 into the vortex chamber of the vortex type fluid mixer 71 becomes a swirling flow in the vortex chamber of the vortex type fluid mixer 71, generating a vortex, and then is discharged from the outlet flow passage 79. Therefore, the fluid flowing from the outlet flow passage 21 into the vortex chamber of the vortex type fluid mixer 71 is stirred by the action of the vortex in the vortex chamber and mixed more uniformly.

11 渦流式流体混合器
13 周側壁
15 第1の端壁
17 第2の端壁
17’ ダイヤフラム
19 入口流路
21 出口流路
23 添加流路
25 渦室
51 渦流式流体混合器
61 渦流式流体混合器
71 渦流式流体混合器
73 周側壁
75 第1の端壁
77 第2の端壁
79 出口流路
Reference Signs List 11 vortex type fluid mixer 13 peripheral side wall 15 first end wall 17 second end wall 17' diaphragm 19 inlet passage 21 outlet passage 23 addition passage 25 vortex chamber 51 vortex type fluid mixer 61 vortex type fluid mixer 71 vortex type fluid mixer 73 peripheral side wall 75 first end wall 77 second end wall 79 outlet passage

Claims (9)

概略円筒形状の周側壁と該周側壁の両端に設けられ互いと対向する第1の端壁及び第2の端壁とによって規定される渦室と、
入口流路中心軸線に沿って延び且つ前記周側壁に開口する入口流路と、
出口流路中心軸線に沿って延び且つ前記第1の端壁に開口する出口流路と、
前記出口流路の中間部に接続され、前記出口流路を流れる流体に添加流体を添加させる少なくとも一つの添加流路と、
を備え、
前記第2の端壁がダイヤフラムによって構成されており、前記出口流路は、前記出口流路中心軸線が前記第1の端壁の概略中心を通るように設けられ、前記渦室は、前記入口流路を介して流入した流体が前記渦室内で渦状の旋回流を生じ、旋回流を生じながら前記出口流路から流出するように構成されており、前記添加流路から添加された添加流体が旋回流の作用で前記出口流路内の流体と攪拌されて混合されることを特徴とする渦流式流体混合器。
a vortex chamber defined by a generally cylindrical peripheral wall and a first end wall and a second end wall provided at both ends of the peripheral wall and opposed to each other;
an inlet passage extending along a central axis of the inlet passage and opening at the peripheral side wall;
an outlet passage extending along an outlet passage central axis and opening at the first end wall;
At least one additive flow passage connected to a middle portion of the outlet flow passage for adding an additive fluid to the fluid flowing through the outlet flow passage;
Equipped with
a vortex type fluid mixer, characterized in that the second end wall is formed by a diaphragm, the outlet flow passage is provided such that a central axis of the outlet flow passage passes approximately through a center of the first end wall, the vortex chamber is configured such that a fluid flowing in via the inlet flow passage generates a vortex-like swirling flow within the vortex chamber and flows out of the outlet flow passage while generating a swirling flow, and an additive fluid added from the additive flow passage is agitated and mixed with the fluid in the outlet flow passage by the action of the swirling flow.
前記添加流路は、前記出口流路内に旋回流が生じている領域において前記出口流路に接続される、請求項1に記載の渦流式流体混合器。 The vortex type fluid mixer according to claim 1, wherein the additive flow passage is connected to the outlet flow passage in a region where a swirling flow occurs in the outlet flow passage. 前記入口流路は、前記入口流路中心軸線が前記第1の端壁の中心と前記第2の端壁の中心とを結ぶ渦室中心軸線から離れた位置を通るように設けられている、請求項2に記載の渦流式流体混合器。 The vortex type fluid mixer according to claim 2, wherein the inlet flow passage is provided such that the inlet flow passage central axis passes through a position away from the vortex chamber central axis connecting the center of the first end wall and the center of the second end wall. 前記入口流路は、流体が前記入口流路から前記周側壁に対して接線方向に流入するように設けられている、請求項3に記載の渦流式流体混合器。 The vortex type fluid mixer according to claim 3, wherein the inlet passage is arranged so that the fluid flows from the inlet passage in a tangential direction relative to the peripheral side wall. 前記出口流路の長さは前記出口流路の直径の7.5倍以上である、請求項1に記載の渦流式流体混合器。 The vortex type fluid mixer according to claim 1, wherein the length of the outlet passage is 7.5 times or more the diameter of the outlet passage. 前記添加流路は、前記添加流路の中心軸線が前記出口流路の上流端から前記出口流路中心軸線の方向に前記出口流路の直径の8倍以内の距離に配置されるように設けられる、請求項1に記載の渦流式流体混合器。 The vortex type fluid mixer according to claim 1, wherein the additive flow passage is provided such that the central axis of the additive flow passage is located at a distance of 8 times or less than the diameter of the outlet flow passage from the upstream end of the outlet flow passage in the direction of the central axis of the outlet flow passage. 前記添加流路は、前記添加流路の中心軸線が前記出口流路の上流端から前記出口流路中心軸線の方向に前記出口流路の直径の4倍以内の距離に配置されるように設けられる、請求項6に記載の渦流式流体混合器。 The vortex type fluid mixer according to claim 6, wherein the additive flow passage is provided such that the central axis of the additive flow passage is located at a distance of up to four times the diameter of the outlet flow passage from the upstream end of the outlet flow passage in the direction of the central axis of the outlet flow passage. 前記ダイヤフラムが、前記第1の端壁に対して接近離反するように駆動部によって移動される、請求項1に記載の渦流式流体混合器。 The vortex fluid mixer of claim 1 , wherein the diaphragm is moved toward and away from the first end wall by a driver. 概略円筒形状の周側壁と該周側壁の両端に設けられ互いと対向する第1の端壁及び第2の端壁とによって規定される渦室と、
入口流路中心軸線に沿って延び且つ前記周側壁に開口する入口流路と、
出口流路中心軸線に沿って延び且つ前記第1の端壁に開口する出口流路と、
前記出口流路の中間部に接続され、前記出口流路を流れる流体に添加流体を添加させる少なくとも一つの添加流路と、
前記添加流路から前記出口流路に添加される添加流体の流量を調整するための流量調整弁と、
を備え、
前記出口流路は、前記出口流路中心軸線が前記第1の端壁の概略中心を通るように設けられ、前記渦室は、前記入口流路を介して流入した流体が前記渦室内で渦状の旋回流を生じ、旋回流を生じながら前記出口流路から流出するように構成されており、前記添加流路から添加された添加流体が旋回流の作用で前記出口流路内の流体と攪拌されて混合されることを特徴とする渦流式流体混合器。
a vortex chamber defined by a generally cylindrical peripheral wall and a first end wall and a second end wall provided at both ends of the peripheral wall and opposed to each other;
an inlet passage extending along a central axis of the inlet passage and opening at the peripheral side wall;
an outlet passage extending along an outlet passage central axis and opening at the first end wall;
At least one additive flow passage connected to a middle portion of the outlet flow passage for adding an additive fluid to the fluid flowing through the outlet flow passage;
a flow rate regulating valve for regulating a flow rate of an additive fluid added from the additive flow path to the outlet flow path ;
Equipped with
the outlet flow passage is provided such that a central axis of the outlet flow passage passes approximately through a center of the first end wall, and the vortex chamber is configured such that a fluid flowing in through the inlet flow passage generates a vortex-like swirling flow within the vortex chamber and flows out of the outlet flow passage while generating a swirling flow, and an additive fluid added from the additive flow passage is agitated and mixed with the fluid in the outlet flow passage by the action of the swirling flow .
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